JPS5816463B2 - 初期過負荷耐久試験方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、機械や構造物等の試験部材に繰返し負荷を与
えるようにした耐久試験方法に関する。

従来の耐久試験方法では、例えば小型内燃機関のシリン
ダヘッドについて試験を行なう場合、第１図に示すよう
な最大負荷〜停止、又は最大負荷〜アイドリングのサイ
クルを亀裂が発生するまで行ない、亀裂を生じたサイク
ルが設計耐久目標または市場に出荷した経験的実績等か
ら定める耐久目標を上まわっているか否かをテストする
ことが行なわれている。

このような従来の耐久試験には２〜３力月の期間を必要
とし、また膨大な人件費を必要としており、特に、設計
変更や新型機関の開発にあたっては、多くの貴重な日時
がこの耐久試験のために費されて、開発のタイミングを
失することさえある。

そこで耐久試験時間の短縮のために種々の試みがなされ
ており、たとえば、１００％以上に負荷を上げる方法や
、シリンダヘッド冷却水温度を変えて熱応力を実際の機
関より大きくして第１図のようなサイクルを行う方法な
どがある。

しかしながら前者は、頻繁な過度の出力の上下を行なっ
た；め、無理な運転となり、大事故の危険性やテストし
ようとするシリンダヘッド以外の要素を破壊したりする
可能性があり、また後者は、熱応力を実際の機関よりも
大きくする変化量に限度があり、さらに致命的な欠点は
、実際機関の運転と異なつまた異常な状態でテストされ
るために、正確な耐久試験とはいえないことである。

本発明は、従来の耐久試験法における上述の諸問題を解
決しようとするもので、実際の機関の運転状態と定量的
な関連があり、好険性のない、短；時間で終了する耐久
試験方法を提供することを目的とする。

このため本発明の耐久試験方法は、試験部材に繰返し負
荷を与える耐久試験方法において、平均応力を引張側へ
移行させるべく上記繰返し負荷の１初回には過大な負荷
を与え、その２回目以後は初回よりもひずみが小さくな
るような負荷を与えることを特徴としている。

以下、図面により本発明の耐久試験方法の実施例につい
て説明すると、第２図は第１図の従来の）方法に対応さ
せて本発明の耐久試験方法を示すもので、従来の方法と
異なる所は、第１サイクル目だけ、すなわち繰返し負荷
の初回だけ試験部材に対し所定のオーバーロードをかけ
ることで、２回目以後は初回よりも小さい負荷が与えら
れる。

こ；のオーバーロードは前述の通り危険な運転であるが
、第２図のように例えば３分間ていどのきわめて短時間
の過負荷であれば危険性は小さく、一般に１３０％の負
荷位は充分可能である。

第２サイクル以後は従来の方法と同様の運転が続けられ
る。

このようにすることにより、従来の方法に比し、熱疲労
亀裂を発生させるまでの耐久試験時間（繰返し回数）を
減少させることができる。

この本発明の原理を以下に説明する。

第３図は典型的にシリンダヘッドに発生する熱疲労亀裂
の位置を示すもので、これはシリンダヘッドを燃焼室（
ピストン側）から見た模型図である。

第３図中の典型的な熱疲労発生位置を示す点（弁間ブリ
ッジ部、Ｘ点）について説明することにするが、他の熱
疲労亀裂が発生する場所についても本質的に同様である
。

なお、第３図中、符号１は予燃焼室、２は吸気孔、３は
排気子ＬＮは試験部材を示す。

第４図は、シリンダヘッドが作られる材料（比較的小型
の内燃機関のシリンダ径２００〜３００朋以下のもので
は鋳鉄系材料が多い。

）の応力−ひずみ線図である。

ＣＢＤ・・・はこの材質を圧縮したときの応力とひずみ
との関係を示す。

第４図で、従来の耐久試験サイクルａ、（１００％負荷
〜停止またはアイドリング、第１図）に従って説明する
。

０点はシリンダヘッドが製作され、応力のかからない状
態である。

シリンダヘッドがエンジンに組込まれ、組立応力などが
加わったときをＡ点とする。

このときのひずみをεえとする。なおエンジンの停止と
アイドリングではＸ点での応力状態は同じ値と仮定する
。

次にエンジンを始動し１００％負荷であるＢ点で運転し
たとする。

応力解析の結果、このときに働くシリンダヘッドＸ点の
熱応力に相当する熱ひずみがεＡＢであるとする。

このときの材料に塑性変形によって実際に生じている応
力はσ１である。

さてエンジンの負荷を下げ、第１図の０点に達したとす
る。

このときには１００％負荷−停止またはアイドリングの
変化に相当する熱ひずみεＡＢ分だけもどるので０点（
第４図参照）となる。

このときの塑性変形によって生ずる実際の応力はσ２で
あるとする。

以下１００％負荷−停止またはアイドリングのサイクル
が負荷されるに従って、Ｃ二Ｂが繰返される。

このときの平均応力σｍ（ａ）は図中に示すように決定
される。

次に本発明の初期過負荷台上耐久試験（ｂ）について説
明すると、第２図Ａ点の第４図の中での位置は、従来法
の場合と同じである。

第２図でＡ−＋Ｄのオーバーロードに至るとき、第４図
の中ではＡ→Ｂ−＋Ｄの位置に達する。

このときのεＡＤは第２図の０点でエンジンが運転して
いる場合のシリンダヘッドの温度分布から応力解析によ
って求めることかできる。

ついでエンジンの停止またはアイドリングまで負荷を下
げ、第２図のＥ点に達したとき、第４図ではＥ点の位置
に来る。

しかる後に第１図の従来の方法と同じ１００％負荷−停
止またはアイドリングのサイクルを繰返すと、第２図の
Ｅ−Ｆは従来法の場合と同じ熱ひずみεＡＢを変動する
から、第４図のＥ二Ｆを繰返すことになる。

このとき塑性変形によって実際に生じている応力は、Ｅ
点がσ、ＩＦ点はσ３である。

平均応力σｍ（ｂ）は、図中に示されるように６ｍ（ａ
）よりも引張側へ移行した値として決定される。

。なお、第４図の応力−ひすみ線図０ＡＢＤ 。

Ｂ＝Ｃ２Ｄ−＋Ｅ、Ｅ＝Ｆの曲線の形は、シリンダヘッ
ド材の材料試験で計測し確定することができる。

また、εえ、εＡＢ 、εＡＤはエンジン運転中の各負
荷時のシリンダヘッド温度分布をもとにして、応力解析
で求めることができる。

従って、σ１．σ２．σ３．σ４．σｒｎ （ａ） 、
ｅ ｒｎ （ｂ）は確実に第４図の中で決定することが
できる。

このように、従来の耐久試験法ａと本発明の初期過負荷
耐久試験法すとの差は、耐入試険中にシリンダヘッドの
Ｘ点に生じている平均応力σ （ａ）。

σ （ｂ）が異なっていることである。

すなわち平均応力σ （ｂ）か平均応力σ （ａ）より
も引張側へ移行ｍ ｍ していることである。

一般に熱疲労強度に対する平均応力の影響は、第５図の
ようなグツドマンのダイヤグラム（Ｇｏｏｄｍａｎ’ｓ
Ｄｉａｇｒａｍ ）を用いて求め得ることが知られて
いる。

今、機関サイクル作動中のＸ点の応力解析の結果、熱ひ
ずみの繰返し範囲がε、平均応力がσ□であったとする
と、この点を図中にプロットしてＧ点とする。

次にその材料の引張強さσＢを横軸上にとり、これをＨ
点とする。

Ｇ点とＨ点とを直線で結び、その直線またはその延長線
が縦軸と交差する点１のεの値は、等価ひずみ範囲εｅ
ｇと呼ばれている。

等価ひずみ範囲εｅ２は次のような意味をもっている。

すなわち、熱ひずみの繰返し範囲がεで平均応力がσ□
のときに熱疲労により破壊するサイクル数と、熱ひずみ
の繰返し範囲がεｅ２で平均応力がＯのときの破壊サイ
クル数とが等しくなるのである。

このような関係はσ□が負の場合にも成立することか知
られている。

一般に材料試験では、平均応力０の熱疲労試験を標準試
験として実施しているが、現実の実用機械構造物に作用
している各種条件の熱疲労寿命を上記関係によって推定
することかできる。

第６図は従来の耐久試験と本発明の初期過負荷耐久試験
との各特性を比較して示すものであり、同図の左側の図
は第５図と同様なグツトマンのダイヤグラムを第４図の
応力−ひすみ線図に適用したもので、右側の図はいわゆ
る繰返し彼方線図である。

前述の検討から明らかなように、耐久試験中に発生する
熱ひずみ繰返し状況は、従来法では平均応力σｍ（ａ）
で第６図の５点となり、本発明による方法では平均応力
σｍ （ｂ）でに点となる。

そして、それぞれの等価ひずみ範囲を求めれば、Ｍ点お
よ調−びＬ点となり、この等価ひずみ範囲は本方法の場
合即ちＬ点の方が従来法の場合即ちＭ点よりも大きくな
る。

一方、材料の熱疲労試験（平均応力Ｏ）により、熱ひず
み範囲と亀裂発生までの繰返し回数との関係を第６図の
右図のように求めておく。

したがって第６図の左側の図にて求めた等価ひずみの点
り。

Ｍに該当する点は、第６図の右側の図において、それぞ
れＬ ／ 、 Ｍ／となり、これらに対応する繰返し破
断回数Ｎ（ａ）（従来法）およびＮ（ｂ）（本発明）が
求められる。

すなわち、Ｎ（ｂ）＜Ｎ（ａ）であり、本発明の方法に
より、耐久試験時間（繰返し数Ｎ）を減少させることが
でき、しかも、初期過負荷試験を行なう負荷の大きさに
よって、実験を行なうべき耐久試験時間（繰返し数Ｎ）
は定量性をもって、確実に推定できることになる。

次に本発明を具体的に適用した例について述べると、そ
の対象機関は、６０ＰＳＸ３３００ ｒｐｍ。

シリンダ径９０朋クラスの機関で、シリンダヘッド材は
鋳鉄の場合であり、初期過負荷としては１２０％負荷を
与えた。

次表は、この試験結果を示すものである。

この結果、従来の耐久試験法に比し、約１／３でクラッ
ク発生サイクルを確認することができ、従って本発明の
初期過負荷耐久試験法は従来法に比較して１／３の試験
時間、すなわち３週間ないし１力月の期間で終了するこ
とができる。

また、前述の通り定量性に裏付けられた方法なので、市
場で実際に稼動している機関の耐久性を適確に換算する
こともできる。

さらに、耐久試験に伴って発生する危険性については、
ごく短時間の過負荷運転か行なわれるにすぎないから、
従来の過負荷運転を繰返す場合に比べて危険度を小さく
できる利点がある。

このようにして、本発明の耐久試験方法によれば新型機
関の開発や設計変更の際に要する試験の期間とコストと
を大幅に低減しうるのである。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の耐久試験法を示すグラフであり、第２図
は本発明の耐久試験方法を示すグラフ、第３図は本発明
の実施例における試験部材の模型図、第４図は本発明の
実施例と従来の方法とを比較して示す応力−ひすみ線図
、第５図はグツドマンのダイヤグラム、第６図は従来の
方法と本発明の方法とを比較して示すグラフである。 １・・・・・・予燃焼室、２・・・・・・吸気孔、３・
・・・・・排気孔、Ｍ・・・・・・試験部材、Ｘ・・・
・・・熱疲労発生位置。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 試験部材に繰返し負荷を与える耐久試験方法におい
   て、平均応力を引張側へ移行させるべく、上記繰返し負
   荷の初回には過大な負荷を与え、その２回目以降は初回
   よりもひずみが小さくなるような負荷を与えることを特
   徴とする、初期過負荷耐久試験方法。